Accumulo. Batterie elettriche. Corso di ENERGETICA A.A. 2015/2016. Docente: Prof. Renato Ricci

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1 Accumulo Batterie elettriche Corso di ENERGETICA A.A. 2015/2016 Docente: Prof. Renato Ricci

2 Principi di funzionamento Una batteria è un dispositivo che converte l energia chimica contenuta nei suoi materiali attivi in energia elettrica per mezzo di una reazione elettrochimica di ossidoriduzione (redox). Se il sistema è ricaricabile il processo è reversibile. Questa reazione prevede il trasferimento di elettroni da un materiale all altro attraverso un circuito esterno Nelle reazioni redox non elettrochimiche, come la combustione, gli elettroni vengono trasferiti direttamente producendo solo calore come forma di energia che poi è soggetta al limite del rendimento di Carnot per il 2 principio della termodinamica. Le batterie hanno quindi un potenziale di generazione elettrica superiore. L unità elementare di una batteria è la cella; le batterie sono formate da più celle in serie e/o parallelo a seconda della tensione e della capacità volute. Una batteria oltre ad unire le celle include sistemi ausiliari e di controllo dentro un involucro protettivo I dati elettrici sono però in genere associati alla singola cella Pila Daniell Nel 1836 Daniell inventò una pila capace di erogare una corrente alquanto costante. Questa superava i problemi della pila voltaica (la polarizzazione elettrochimica) adottando elettroliti compatibili con i rispettivi elettrodi. Tale soluzione prevedeva una separazione di elettroliti tramite ponte salino. IN questo modo si evitava la produzione di gas agli elettrodi. Pag. 2

3 Principi di funzionamento Cella Unità elettrochimica di base Anodo Elettrodo negativo Riducente, dove Avviene l ossidazione Durante il redox Catodo Elettrodo positivo Ossidante, dove avviene la riduzone durante il redox Elettrolita Conduttore ionico, tipicamente liquido (acqua o altri solventi aventi in soluzione Sali, acidi o alcali); a volte sono solidi che diventano conduttori ionici ad alte temperature Pag. 3

4 Componenti principali Gli anodi e catodi migliori sono quelli di materiale più leggero e tale da avere maggiore voltaggio e capacità Ci sono spesso limiti pratici legati a Reattività con altri componenti della cella Polarizzazione elettrochimica Difficile gestione dei materiali Alti costi Scelta dell anodo: Buona azione riducente Elevata uscita coulombiana (Ah/g) Buona conducibilità Stabilità I materiali più diffusi sono i metalli: lo zinco è stato usato molto; il litio è il metallo più leggero e alto equivalente elettrochimico Scelta del catodo Buona azione ossidante Stabilità a contatto con l elettrolita Può essere usato direttamente l ossigeno (vedi batterie zinco-aria) Si usano spesso ossidi metallici Pag. 4

5 Principi di funzionamento L elettrolita deve avere buona conduttività ionica ma non deve essere conduttivo elettronicamente, onde evitare cortocircuitazione elettronica interna Non deve essere reattivo con i materiali degli elettrodi Relativa stabilità delle proprietà con la temperatura La maggior parte è fatta da soluzioni acquose L anodo e il catodo sono elettronicamente isolati nella cella per evitare corto circuiti: vengono in pratica separati meccanicamente da un setto separatore che è permeabile all elettrolita, in modo da mantenere la conduttività ionica Agli elettrodi sono di solito aggiunte delle strutture reticolari di materiale conduttivo elettricamente allo scopo di ridurre la resistenza elettrica interna Le celle sono sigillate in diversi modi per evitare il trafilamento o il seccamento del materiale elettrolitico Pag. 5

6 Classificazione Celle e batterie Primarie Incapaci di essere ricaricate elettricamente, perciò usa e getta. Si parla di celle secche se non c è un liquido elettrolita libero ma è assorbito dal materiale separatore. Convenienti Leggere Alta densità energetica Secondarie Possono essere ricaricate, sono dette «accumulatori» Alta densità di potenza Alta velocità di scarica Curve di scarica piatte Densità energetica minore alle primarie Fuel cell I materiali attivi sono alimentati presso gli elettrodi che fungono da catalizzatori Anodo gassoso o liquido Ossigeno o aria come ossidante Batterie di riserva Sono batterie primarie aventi un componente chiave (di solito l elettrolita) isolato prima dell attivazione: si elimina il deterioramento e l autoscarica (es. usate nei missili) Pag. 6

7 Principi di funzionamento Batterie secondarie Esempio di batteria secondaria zinco-cloruro. Reazioni di scarica: Gli elettroni fluiscono esternamente dall anodo, che si ossida, al catodo dove il materiale si riduce Scarica Carica Pag. 7

8 Parametri Energia libera: la variazione di en. libera G in una reazione di cella è il «motore» che fornisce l energia elettrica al circuito esterno Voltaggio teorico V dipende dai potenziali di riduzione dei materiali attivi Capacità teorica coulombiana (Ah/g) è valutata in base agli equivalenti elettrochimici dei materiali attivi I valori teorici non tengono conto dell acqua nell elettrolita e altri materiali coinvolti nelle reazioni Energia teorica: voltaggio teorico per capacità teorica (Wh) = (V) x (Ah) Energia teorica specifica Esempi: Voltaggio teorico Energia teorica specifica (Wh/g) = (V) x (Ah/g) La capacità dipende dal tipo e dalla quantità di materiali. L energia specifica reale è nettamente minore della teorica per via di altri materiali presenti come l elettrolita, involucro, separatori etc. Una cella inoltre non si scarica alla tensione teorica e non si scarica completamente fino a 0 V I materiali attivi poi non sono in proporzioni stechiometriche di solito reazione non completa Pag. 8

9 Parametri DoD = Depth of discharge Profondità di scarica % capacità nominale Self discharge = (auto scarica) perdita di carica a circuito aperto in % di capacità nominale/ ora SOC = state of charge, stato di carica in %. A fine vita una batteria può vedersi ridotta la capacità all 80 % degli Ah nominali iniziali. Tuttavia il SOC è spesso calcolato in riferimento alla capacità istantanea, quindi una siffatta batteria appena caricata avrebbe con tale definizione comunque SOC=100% Esempio di possibile legame tra SOC e tensione di circuito aperto. Valido in particolare per le batterie secondarie al piombo Pag. 9

10 Capacità specifiche Batterie primarie Batterie secondarie Pag. 10

11 Capacità specifiche Pag. 11

12 Capacità specifiche primarie secondarie Le capacità massiche e le volumetriche risultano generalmente correlate. Tra i casi particolari troviamo le batterie al litio in confronto a quelle NiMH che hanno una differenza in peso molto più marcata di quella in volume. Pag. 12

13 Capacità specifiche Wh/kg : evoluzione negli anni Pag. 13

14 Batteria al piombo Dispositivo di successo per più di un secolo Planté in Usa diossido di piombo come materiale attivo al catodo e piombo metallico all anodo; come elettrolita una soluzione acquosa di acido solforico Vantaggi Economica, facile da costruire Disponibilità su ampio range di capacità Ottima corrente di spunto Buona efficienza (>70%) come energia in uscita su energia in ingresso Voltaggio di cella elevato >2.0 V (il più alto dei sistemi con elettrolita acquoso) Facile calcolo del SOC Componenti facilmente riciclabili Svantaggi Ciclo di vita limitato: spesso <500 cicli Bassa densità di energia: Wh/kg Se lasciata a lungo scarica ->deterioramento irreversibile (solfatazione = aumento della resistenza interna per accumulo di cristalli di solfato di piombo) Difficile da realizzare in piccole dimensioni, dove primeggiano le Ni-MH o le ioni di Li Pag. 14

15 Batteria al piombo Curva di scarica Per indicare la corrente di scarica o di carica si usa scriverla in «C rate» Dove C n è la capacità dichiarata dal costruttore in (Ah) per una scarica lunga n ore. M quantifica quindi la corrente della batteria in oggetto in unità di C n Il voltaggio iniziale in scarica è minore del voltaggio teorico per via della resistenza elettrica interna di cella. Durante la scarica la tensione cala ancora per l aumento di resistenza di cella dato dall accumulo dei prodotti di scarica e per altri fenomeni come la polarizzazione All aumentare della corrente di scarica (drain) si riduce anche la capacità di carica effettiva erogabile Pag. 15

16 Batteria al piombo Pag. 16

17 Batteria al piombo Esempio di modello batterie al piombo per applicazioni fotovoltaiche Pag. 17

18 Batteria al Litio Impiega dei composti intermedi del litio, durante un ciclo di carica-scarica avviene uno scambio di ioni Li+ tra catodo e anodo (la tensione dipende dalla differenza di energia libera di questi due cristalli). L elettrodo positivo è di solito un ossido metallico (es. ossido di cobalto litio) mentre l elettrodo negativo è di grafite su un collettore di rame. Tipi più importanti: 1. Ioni di litio -> il litio compare non in forma metallica ma all interno di composti, a vantaggio della sicurezza 2. Litio ione polimero -> elettrolita solido polimerico, più sicura, involucro più leggero, ma tasso di scarica basso 3. Litio-ferro-fosfato LiFePO4 -> maggiore stabilità termica e chimica di quella a ioni di litio, resiste meglio a corto circuiti e sovraccarico, elimina problemi del cobalto al prezzo di un 15 % di densità di energia in meno Vantaggi Batterie sigillate -> nessuna manutenzione Lungo ciclo di vita Ampio range di temperature Bassa auto-scarica Capacità di carica rapida Scarica ad alta potenza Alta efficienza energetica Alta densità di energia Nessun effetto memoria Svantaggi Costo ancora maggiore Degradazione ad alta temperatura Necessaria circuiteria di protezione e monitoraggio temperatura Il litio è molto reattivo Pag. 18

19 Sistema standalone ibrido La variabilità del carico si combina anche con la disponibilità energetica variabile Eolico e fotovoltaico da noi si compensano a livello stagionale (vento più intenso nei mesi invernali) Il generatore eolico tipico per questi sistemi oggi è l alternatore sincrono a magneti permanenti con raddrizzatore e convertitore DC-DC La capacità della batteria deve sopperire alle variabilità in gioco per mantenere il servizio nel tempo con i CF delle fonti Le unità di controllo sono di solito dedicate ai singoli dispositivi (MPPT eolico, MPPT fotovoltaico, BMS per lebatterie) Sezione 2.1 Una batteria, per es. in un impianto domestico, può massimizzare l autoconsumo di energia rinnovabile. Il regolatore di carica BMS Protezione cella Controllo di carica Calcolo SOC Bilanciamento celle Monitoraggio temperature critiche 6/27/2016

20 Sistema standalone ibrido: accumulo inerziale I volani per l accumulo inerziale stanno tornando attuali per le applicazioni in cui sono richiesti dei picchi di potenza Vantaggi L elevata efficienza energetica, comunemente % L elevatissimo numero di cicli di scarica possibili, senza penalizzare sensibilmente le loro prestazioni nel tempo La compatibilità con estesi intervalli di temperatura L alta densità di energia e potenza, in particolare per i volani ad alta velocità (in carbonio) D altronde essi soffrono di alcuni svantaggi: Elevate perdite permanenti Tassi di auto-scarica alti, dell ordine del 20 % della propria capacità per ogni ora Sezione 2.1 6/27/2016

21 Vari sistemi di accumulo PHS=sistemi di pompaggio idraulico; FESS=accumulo inerziale; SCESS=sistemi a supercapacitore Pag. 21

22 Riferimenti Pag. 22

23 Riferimenti Electropaedia Linden, David, and Thomas B. Reddy, eds. Handbook of Batteries. (Varie edizioni). McGraw-Hill Handbooks. New York: McGraw-Hill Pag. 23